jurnal elektro telekomunikasi terapan [bulan] [tahun]. jurnal... · web viewmetode penelitian yang...

DRAFT PAPER UISI JURNALVol. 1, No. 1, Oktober 2019, P-ISSN xxx-xxxx, E-ISSN xxxx-xxxX

SIMULASI PENGERINGAN BATUBARA PADA COAL DRYER DENGAN PENDEKATAN NUMERIK BERBASIS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD)

SECARA UNSTEADY STATE

Afninda Aryuni Widyanti1, Celvin Dicky Wahyudi2, dan Eka Lutfi Septiani3

Universitas Internasional Semen Indonesia

E-mail: [email protected]

ABSTRACT

Coal fuel used in Indonesian Industry has medium to lower quality which has a low calorific value due to its high moisture content. This has an impact on higher coal consumption which leads to increased industrial operational costs and decreased industrial process efficiency. So it is necessary to conduct research with the aim of knowing the results of coal drying modeling in a coal dryer in an unsteady state, knowing the phenomenon of drying coal in a coal dryer based on excess, theoretical and air poor conditions, knowing the percentage of moisture content reduction in coal on the effect of air flow rate. The research method used is to simulate a coal dryer using the Ansys Fluent 2020 R2 Computational Fluid Dynamic Software using the Discrete Phase model following the lagrangian equation. The research variables used were coal mass flow rate and air velocity flow rate adjusted to the mass balance of the industrial pilot plant design with Equivalence Ratio values of 0,63; 0,68; 0,74; 0,91; 1,00; 1,08; 1,10; 1,20, 1;31. The CFD simulation results are able to represent the phenomenon of coal drying in a coal dryer which can be theoretically validated. Obtained the optimal condition of variable B in terms of the value% efficiency of high moisture content reduction is 86.37%, uniform fluid distribution and significant volatile matter combustion. The more excess air flow rate causes a% decrease in the efficiency of reducing moisture content. In the condition that the excess air is not too excessive, the efficiency of reducing moisture content is good. The poorer the air, the lower the efficiency of the moisture content reduction. In theoretical conditions, the efficiency of reducing moisture content is not as big as in excess air.

Keywords: Coal, Coal dryer, CFD, Euler-Lagrangian, Unsteady state

ABSTRAK

Bahan bakar batu bara yang digunakan di Industri Indonesia memiliki kualitas menengah ke bawah yang memiliki nilai kalor rendah dikarenakan moisture content yang tinggi. Hal ini berdampak pada konsumsi batu bara semakin tinggi yang berujung pada membengkaknya pengeluaran biaya operasional industri dan efisiensi proses industri yang semakin turun. Maka perlunya dilakukan penelitian dengan tujuan yaitu mengetahui hasil pemodelan pengeringan batu bara pada coal dryer secara unsteady state, mengetahui fenomena pengeringan batu bara pada coal dryer berdasarkan kondisi ekses, teoritis dan miskin udara, mengetahui persentase pengurangan moisture content didalam batu bara terhadap pengaruh laju alir udara. Metode penelitian yang dilakukan yaitu mensimulasikan alat coal dryer dengan Software Computational Fluid Dynamic Ansys Fluent 2020 R2 menggunakan model Discrete Phase mengikuti persamaan lagrangian. Variabel penelitian yang digunakan berupa laju alir massa batu bara dan laju alir kecepatan udara yang disesuaikan dengan neraca massa desain pilot plant industry dengan nilai Equivalence Ratio 0,63; 0,68; 0,74; 0,91; 1,00; 1,08; 1,10; 1,20, 1;31. Hasil simulasi CFD mampu untuk merepresentasikan fenomena pengeringan batubara didalam coal dryer yang dapat divalidasi secara teoritis. Diperoleh kondisi optimal variabel B ditinjau dari nilai % efisiensi pengurangan moisture content yang tinggi 86.37%, distribusi fluida yang merata serta pembakaran volatile matter signifikan. Semakin ekses laju alir udara menyebabkan penurunan % efisiensi pengurangan moisture content. Pada kondisi ekses udara


tidak terlalu berlebih didapatkan % efisiensi pengurangan moisture content yang baik. Semakin miskin udara maka % efisiensi pengurangan moisture content mengalami penurunan. Pada kondisi teoritis % efisiensi pengurangan moisture content tidak sebesar kondisi ekses udara.

Kata kunci: Batu bara , CoalDryer, CFD, Euler-Lagrangian, Unsteady state

1. PENDAHULUAN

Kegiatan industri merupakan salah satu unsur penting dalam menunjang pembangunan guna untuk meningkatkan pertumbuhan ekonomi. Penggunaan sumber energi batu bara juga semakin meningkat seiring menurunnya produksi minyak bumi. Batu bara adalah sumber energi terpenting, digunakan untuk pembangkit listrik dalam negeri (70%), pembuatan semen sebesar (10%) dan sisanya untuk bahan bakar industri dan proses metalurgi. Batu bara yang digunakan sebagai bahan bakar diharapkan memiliki nilai kalor yang tinggi untuk mendapatkan pembakaran yang efisien. Namun kualitas batu bara di Indonesia pada umumnya didominasi oleh batu bara peringkat rendah (low rank coal), yaitu sekitar 70% dari total sumber daya yang tersedia. Batu bara jenis ini mempunyai kandungan air (moisture content) yang cukup tinggi yaitu sekitar 15-35% dan nilai kalor yang rendah yaitu kurang dari 5000 kkal/kg [1].

Percobaan secara langsung biasanya dipakai untuk mengetahui berapa laju alir yang optimal sehingga diketahui karakteristik batu bara yang keluar pada outlet (relative humidity, massa batu bara). Pada penelitian pengeringan batu bara secara eksperimen langsung dengan alat coal dryer sangat sulit apabila diamati fenomena pembakaran dan pengeringannya, serta memiliki keterbatasan parameternya. Kekurangan dari percobaan ini membutuhkan waktu dan biaya yang cukup tinggi. Salah satu upaya untuk menjawab permasalahan tersebut dengan melakukan percobaan simulasi pengeringan pada coal dryer dengan memertimbangkan pengaruh laju alir udara dan laju alir batu bara berdasarkan perhitungan neraca massa terhadap proses pengurangan kadar air pada batu bara. Beberapa peneliti terdahulu telah menunjukkan bahwa simulasi secara numerik berbasis dinamika fluida dapat diterima dan memberikan kesesuaian dengan hasil eksperimen karena dalam pendekatan numerik ini menyelesaikan persamaan perpindahan momentum, panas, dan massa.

Adapun penelitian yang telah dilakukan tentang pengeringan batu bara menggunakan simulasi Computational Fluid Dynamic. Penelitian yang dilakukan oleh Iswara tahun 2015 melakukan validasi kecepatan minimum fluidisasi hasil simulasi dengan persamaan Ergun secara teoritis yang memiliki hasil hampir sama. Hal ini CFD mampu menunjukkan kesesuaian antara hasil simulasi dan hasil teoritis [4]. Penelitian yang dilakukan oleh Hantyo tahun 2015 melakukan validasi data panjang nyala api dan laju pembakaran batu bara antara hasil eksperimen dengan hasil simulasi yang memiliki hasil hampir sama. Hal ini CFD mampu menunjukkan kesesuaian antara hasil eksperimen dan hasil simulasi [3]. Penelitian yang dilakukan oleh Budiharso dan Yuliawati tahun 2020 memiliki kesamaan studi permasalahan dan objek penelitian namun variabel prediksi laju alir batubara dan laju alir udara yang digunakan terlalu besar yang tidak sesuai dengan kondisi aktual, serta hasil simulasi secara steady state yang telah dilakukan tidak dapat divalidasi pada kondisi operasi aktual secara unsteady state yang menunjukkan perubahan parameter pada tiap waktunya [7].

Model Eulerian-Lagrangian dan Eulerian - Eulerian banyak diaplikasikan ke pemodelan CFD pada sistem multifasa. Untuk pemodelan aliran Gas-Solid, biasanya Eulerian Lagrangian disebut Discrete Particle Models (DPM). Pada prinsipnya adalah setiap partikel fluida diikuti di setiap titik. Sifat–sifat fluida ditentukan sebagaimana partikel fluida bergerak. Dan model Eulerian-Eulerian disebut model aliran granular. Granular flow models (GFM) berbasis rangkaian kesatuan dan lebih sesuai untuk simulasi besar dan kompleks pada reaktor fluidized bed yang terdiri dari jutaan solid partikel. Dalam


DPM fase fluida diperlakukan sebagai kontinum, sedangkan fase terdispersi diselesaikan dengan melacak sejumlah besar partikel, gelembung, atau tetesan melalui bidang aliran yang dihitung. Fase terdispersi dapat bertukar momentum, massa, dan energi dengan fase fluida. Asumsi mendasar yang dibuat dalam model ini adalah bahwa fasa terdispersi menempati fraksi volume rendah lebih dari 10%. Model ini sesuai untuk pemodelan spray dryer, pembakaran/pengeringan batu bara, dan beberapa aliran sarat partikel. Untuk itu diperlukan suatu penelitian dengan pemodelan/simulasi CFD dengan model Eulerian Lagrangian discrete particle models yang menggabungkan teori kinetik untuk partikel solid yang diaplikasikan untuk aliran gas-padat pada berbagai kecepatan superfisial serta ukuran partikel secara unsteady state. Serta fokus pada kondisi ekses, teoritis dan miskin udara yang disesuaikan dengan perhitungan neraca massa.

Oleh karena itu, penelitian ini dilakukan dengan simulasi berbasis CFD menggunakan software Ansys 2020 R2. Penyelesaian persamaan-persamaan perpindahan momentum, panas, dan massa dalam simulasi mampu menunjang laju pengeringan batu bara sehingga dapat diketahui fenomena yang terjadi pada perhitungan neraca massa. Simulasi dilakukan pada kondisi kondisi ekses, teoritis dan miskin udara berdasarkan perhitungan neraca massa secara steady state maupun unsteady state.

2. METODE PENELITIAN 2.1 Bahan Penelitian

Bahan yang digunakan berupa mixture-coal dengan kandungan diantarannya Carbon-solid, Volatile Matter, H2O liquid sebagai moisture content dan Abu/ash. Selain batu bara dalam simulasi ini juga diinjeksikan udara, dimana komposisi udara terdiri dari Oksigen, Uap air, Nitrogen, Karbon Dioksida dan Karbon Monoksida.

2.2 Alat PenelitianAlat yang digunakan pada penelitian ini adalah coal dryer yang merupakan unit operasi pilot plant

salah satu industri semen di Indonesia seperti pada Gambar 3.1 Dengan dimensi sebagai berikut:

Gambar 1. Sketsa Coal dryer tampak Luar (A) dan dalam (B) serta dimensinya (C)

2.3 Metode PenelitianMetode penelitian yang digunanakan yaitu berdasarkan pendekatan numerik untuk menganalisa

kinerja alat coal dryer dari kandungan air pada outlet gas. Pendekatan numerik dilakukan dengan menggunakan software Ansys 2020 R2 karena pada softwere tersebut dapat memberikan profil distribusi aliran, distribusi temperatur, distribusi tekanan, fraksi massa yang baik secara kualitatif maupun kuantitatif. Pengaplikasian metode CFD digunakan antara lain karena kemampuannya untuk memperolah parameter-parameter pengujian tanpa harus melakukan pengujian secara aktual. Secara umum proses simulasi CFD dibagi menjadi 3 tahap yaitu Pre-Processing, Processing, dan Post-Processing. Prinsip kerja dari penelitian ini yaitu membandingkan data kondisi prediksi secara


unsteady state dengan data pada lapangan. Kemudian melakukan pengamatan pada pengeringan batu bara dengan perhitungan neraca massa dari pilot plant salah satu industri semen di Indonesia.

2.4 Variabel PenelitianAdapun variabel tetap yang digunakan adalah bahan yang akan dikeringkan yaitu batu bara jenis

subituminus, ukuran batubara 3 cm, geometri coal dryer. Sedangkan variabel bebas yang digunakan diantarannya laju alir udara dan batu bara yang diperoleh dari perhitungan neraca massa seperti pada tabel 1

Tabel 1. Variabel Bebas yang Digunakan pada Penelitian

2.5 Prosedur SimulasiLangkah–langkah yang digunakan meliputi Pre-Processing, Processing, dan Post-Processing.

Tahap Pre-Processing dilakukan pengumpulan data meliputi geometri coal dryer, fluid materials, coal cost, particle size range dan tolerance. Setelah data terkumpul kemudian dilakukan pembuatan model geometri dan grid-nya dengan menggunakan software Space Claim Direct Modeller. Dalam penelitian ini digunakan pemodelan coal dryer secara 2D yang berbentuk mesh segitiga, jumlah titik sebesar 11093, jumlah elemen sebesar 21326 dan rata-rata skewness sebesar 0,0516. Tahapan Processing dilakukan pendefinisian sebagai berikut :

a. Initial dan Boundary condition Kondisi awal dan kondisi batas yang ditentukan meliputi inlet sebagai velocity inlet, outlet sebagai Pressure outlet, dan wall sebagai standard wall.

b. Pengaturan ModelMemilih solver tipe Pressure-based dengan kondisi transient. Pemodelan yang digunakan ialah Discrete Phase Model

c. Pemodelan partikel Pemodelan partikel yang digunakan adalah Discrete Phase Model, Kontinuitas, dan Navier Stokes.

d. Boundary condition Partikel. Penentuan boundary condition partikel dapat menentukan trayektori (lintasan) pergerakan partikel. Partikel pada dinding reaktor dan dinding burner didefinisikan ”reflect”. Partikel pada inlet gas pembawa, bahan bakar, oksidizer, dan outlet didefinisikan ”escape”. Partikel pada interior reaktor didefinisikan ”interior”.

e. Material Definition Material yang masuk terdiri dari coal dan udara.

f. Solver Skema penyelesaian persamaan kekekalan massa menggunakan Pressure Velocity Coupling dengan algoritma Pressure-Implicit with Splitting of Operators (PISO) pada pemodelan turbulensi k-ɛ karena sistem penyelesaian unsteady state dan algoritma Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations-Consistent (SIMPLEC) untuk penyelesaian steady state. Pemodelan Skema diskretisasi menggunakan second-order accuracy.

g. Solution Control Pengaturan Solution Control dapat mempengaruhi konvergensi.


h. InitializeDigunakan standart inisialisasi dengan kecepatan ke arah sumbu z 1 m/s, temperature 303 K. Menghitung penyelesaian berdasarkan perhitungan matematis pada program fluent yang telah dikontrol dengan time step size 0.01 dan iterasi/time step : 20. Serta Membuat bidang pengamatan dan mengatur solution animation

Tahapan Post-Procesing dilakukan pengamatan, evaluasi dan analisis pada hasil simulasi. Dilakukan pengamatan 1 dimensi diantarannya pengamatan perubahan moisture content sepanjang garis pengamatan (Garis A, Garis B, Garis C, Garis D) selain itu, juga dilakukan pengamatan 2 dimensi terdiri dari kontur temperature, distribusi fraksi massa produk (H2O, Volatile Matter).

Gambar 2. Geometri Coal Dryer 2D (A) dan bidang pengamatan serta Kondisi Batas (B)

3. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil simulasi CFD mampu untuk merepresentasikan fenomena pengeringan batubara didalam

coal dryer yang dapat divalidasi secara teoritis. Validasi yang dilakukan untuk memastikan pemodelan yang digunakan telah sesuai dengan hasil eksperimen.

Gambar 3. Grafik hubungan Equivalence Ratio terhadap temperatur kondisi temperatur adiabatik

Hasil simulasi disesuaikan dan divalidasi dengan hasil eksperimen pada gambar 3 yang dilakukan oleh Hankalin, dkk pada tahun 2011. Penelitian yang dilakukan oleh Hankalin menyelidiki hubungan air coefficient / Equivalence Ratio terhadap temperatur pada batu bara low rank coal jenis sub bituminus yang diambil dari Pahang Malaysia dengan kondisi reaksi adiabatic [2]. Dari gambar grafik tersebut dapat diketahui bahwasannya saat Equivalence Ratio bernilai 1 maka temperatur reaksi pembakaran adiabatik mencapai titik puncaknya. Hal tersebut sesuai dengan hasil simulasi pada penelitian ini yang memiliki temperatur maksimal 1691º Celcius sedangkan temperatur penelitian yang dilakukan oleh Hankalin memiliki temperatur puncak 1425° Celcius.

Gambar 4. Grafik hubungan Equivalence Ratio terhadap temperatur kondisi temperatur adiabatik hasil simulasi


Perbedaan deviasi antara temperatur maksimal penelitian ini dengan temperatur maksimal penelitian Hankalin menghasilkan 15.73%. Deviasi dalam simulasi ini dan penelitian Hankalin dikarenakan perbedaan karakteristik batubara yang digunakan yang ditinjau dari proximate analysis dan ultimate analysis. Selain itu pola grafik hubungan Equivalence Ratio terhadap temperatur adiabatik hasil simulasi dan hasil penelitian Hankalin memiliki kesamaan ketika Equivalence Ratio bernilai 1 maka temperatur reaksi pembakaran adiabatik mencapai titik puncaknya sehingga dari perbandingan tersebut penelitian simulasi ini bisa dikatakan valid. Pada gambar 4 menunjukkan temperatur tertinggi saat Equivalence Ratio 1 dikarenakan terjadi reaksi oksidasi sempurna pada fixed carbon, CO, Volatile Matter dalam kondisi stokiometri yang mana merupakan puncak pelepasan energi kalor sehingga menghasilkan temperatur tinggi. Pada grafik tersebut temperatur terendah pada Equivalence Ratio 1.08 dengan temperatur 1490º Celcius. Trend pada gambar 4 menunjukkan kenaikan dari Equivalence Ratio 0.63 hingga 1 dikarenakan semakin mendekati Equivalence Ratio 1 maka akan mendekati fenomena reaksi oksidasi sempurna pada fixed carbon, CO, Volatile Matter dalam kondisi stokiometri yang mana merupakan puncak pelepasan energi kalor sehingga mengalami trend kenaikan temperatur. Equivalence Ratio 1 hingga 1.31 mengalami trend penurunan dikarenakan semakin mendekati kondisi miskin udara yang menyebabkan terjadi pembakaran tidak sempurna. Pembakaran tidak sempurna ditandai dengan terbentuknya fraksi karbon monoksida dalam jumlah besar.

Gambar 5. Distribusi temperatur Variabel A hingga Variabel I Secara Steadystate

Pada gambar 5 terlihat distribusi temperatur dengan batas bawah 26.85° Celcius hingga mendekati 1600º Celcius. Dikarenakan di dalam coal dryer terjadi reaksi oksidasi pembakaran dengan oksigen dengan reaksi sebagai berikut

Volatile matter + 1,706 O2 → 1,543 CO2 + H2O (1)C(s) + 0.5O2 → CO (2)CO(s) + O2 → CO2 (3)

Dekomposisi material batu bara dimulai dengan pelepasan kadar air pada permukaan batu bara dan pada pori batu bara berlangsung antara 110º C sampai dengan 211 º C. Pada daerah temperatur 211 ºC hingga 420,8 ºC adalah proses dekomposisi atau devolatisasi kadar Volatile Matter batu bara. Selanjutnya pada temperatur 420,8 ºC dimulainya proses oksidasi Volatile Matter, terjadi pembakaran Volatile Matter dengan oksigen yang diikuti pembakaran fixed carbon dengan oksigen. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 5 Sebagian Volatile Matter yang terbakar pada temperatur 486 ºC hingga ke atas mengakibatkan suasana di dalam coal dryer panas sehingga udara yang terus diinjeksikan ikut memanas di dalam coal dryer, kondisi udara yang panas ini dimanfaatkan sebagai pengering batu bara yang tidak terbakar. Karena panas terjadi secara berkelanjutan, mengakibatkan proses pengeringan ini berkelanjutan.

Pada gambar 5 didapatkan kondisi optimal pada variabel B dibanding variabel yang lain dikarenakan terdapat sebagaian kecil zona batu bara terbakar pada temperatur 476 ºC hingga zona


kecil berupa titik pada temperatur 1525 ºC yang mengakibatkan suasana di dalam coal dryer panas sehingga udara yang terus diinjeksikan ikut memanas di dalam coal dryer, kondisi udara yang panas ini dimanfaatkan sebagai pengering batu bara yang tidak terbakar yang berada di atas cone inlet udara. Daerah diatas cone inlet batu bara terjadi distribusi temperatur yang merata pada temperatur 180 º C hal ini terjadi pelepasan kadar air pada permukaan batu bara dan pada pori batu bara.

Pada simulasi ini dilakukan pengamatan terhadap distribusi moisture content batu bara untuk mengetahui persentase pengurangan moisture content didalam batu bara terhadap pengaruh equivalence ratio. Moisture content merupakan kadar kelembaban / kadar air pada batu bara. Pengurangan moisture content didalam batu bara terjadi dikarenakan adanya pelepasan molekul H2O pada permukaan batu bara maupun di dalam pori batu bara. Fenomena tersebut berlangsung antara 110 oC sampai dengan 211 oC. Pada akhir simulasi terdapat tahapan post processing yang menghasilkan distribusi moisture content untuk mengkuantifikasi gambar distribusi tersebut dilakukan pendeteksian fraksi moisture content melalui garis seperti yang ditampilkan pada gambar 6

Gambar 6. Lokasi Pendeteksian Fraksi Moisture Content Melalui Garis A, B, C, D

Gambar 7. Grafik Distribusi Fraksi Moisture Content Variabel A hingga Variabel I

Pada gambar 7 menampilkan grafik distribusi fraksi moisture content variabel A hingga variabel I terhadap posisi coal dryer yang merepresentasikan gambar 6. Dari grafik tersebut dapat disimpulkan bahwasannya semakin menuju ke posisi 10.5 meter maka kandungan moisture content mengalami penurunan. Posisi 10.5 meter merupakan posisi ujung outlet batu bara pada coal dryer. Penurunan fraksi moisture content tersebut dikarenakan adanya fenomena penguapan moisture content dikarenakan suasana di dalam coal dryer yang panas disebabkan oleh reaksi oksidasi pada persamaan (1), (2) dan (3). Pada variabel A hingga variabel I memiliki nilai akhir rata-rata. Terdapat sisa fraksi moisture content dikarenakan masih terdapat moisture content pada pori-pori dibagian terdalam batu bara.

Tabel 2. Pengaruh Equivalence Ratio terhadap % Efisiensi Pengurangan Moisture Content


Pada tabel 2 menunjukkan hubungan Pengaruh Equivalence Ratio Terhadap % Efisiensi

pengurangan moisture content. Dari tabel tersebut menunjukkan equivalence ratio 0.63 hingga 0.74 mengalami tren kenaikan % efisiensi pengurangan moisture content sedangkan Equivalence Ratio 0.91 hingga 1.31 mengalami tren penurunan % efisiensi pengurangan moisture content. Persentase efisiensi pengurangan moisture content tertinggi pada Equivalence Ratio 0.74. Equivalence Ratio 0.63 hingga 0.91 memiliki % efisiensi pengurangan moisture content tertinggi dikarenakan pada nilai Equivalence Ratio tersebut kurang dari 1 yang termasuk kategori ekses terjadi fenomena pembakaran sempurna sehingga pelepasan panas dari pembakaran sempurna efektif dalam pengurangan moisture content [6]. Didapatkan kondisi optimal pada variabel C dibanding variabel yang lain dikarenakan memiliki % Efisiensi pengurangan moisture content yang paling tinggi. Namun apabila dibandingkan dengan distribusi temperatur variabel C pada gambar 5 memiliki distribusi temperatur yang tinggi diatas cone inlet udara sebelah kiri pada range temperatur 477.40 hingga 777.76 celcius yang mengindikasikan banyak batu bara telah terbakar hingga tersisa abu. Sehingga kondisi optimal pada variabel B akan dipertimbangkan dengan % efisiensi pengurangan pengurangan moisture content tertinggi ke 2 setelah variabel C.

Gambar 8. Distribusi moisture content Variabel A hingga Variabel I kondisi Steady state

Pada simulasi ini perlu dilakukan pengamatan terhadap distribusi Volatile Matter batu bara untuk mengetahui persentase pengurangan Volatile Matter didalam batu bara terhadap pengaruh equivalence ratio. Volatile Matter terdiri dari gas-gas yang mudah terbakar seperti hydrogen (H), karbon monoksida (CO) dan metana (CH4). Kandungan volatil yang tinggi dalam bahan bakar tidak diinginkan karena menghasilkan lebih banyak tar, menyebabkan masalah pada mesin pembakaran internal terutama bahaya ledakan serta mengurangi presentase fixed Carbon [5]. Pada gambar 9 menunjukkan distribusi Volatile Matter variabel A hingga variabel I kondisi Steady state. Pengurangan Volatile Matter dikarenakan terjadi reaksi oksidasi dengan oksigen pada temperatur 420.8 oC seperti pada reaksi persamaan (1). Pada variabel A, B, dan C memiliki pengurangan Volatile


Matter hampir mendekati 0 dikarenakan nilai Equivalence Ratio variabel tersebut kurang dari 1 yang termasuk kondisi ekses. Pada kondisi ekses jumlah udara dalam kondisi berlebih yang menyebabkan terjadinya pembakaran sempurna gas oksigen terhadap Volatile Matter seperti pada reaksi persamaan (1) sehingga terjadi pengurangan Volatile Matter yang signifikan pada variabel A, B, dan C.

Pengurangan Volatile Matter pada variabel E (Equivalence Ratio 1) menunjukkan distribusi yang merata fraksi Volatile Matter di atas cone inlet udara sebesar 0.3. Hal ini masih belum terjadi reaksi oksidasi Volatile Matter diatas cone inlet udara. Setelah batu bara melewati cone inlet udara terjadi pengurangan Volatile Matter namun tidak sebesar pengurangan Volatile Matter yang signifikan pada variabel A, B, dan C. Pengurangan kadar Volatile Matter batu bara yang optimal terjadi pada variabel B dikarenakan pada gambar tersebut menunjukkan Volatile Matter telah banyak berkurang yang disebabkan oleh proses oksidasi pembakaran sempurna sebagian batu bara dan gas Volatile Matter pada kondisi ekses. Pada variabel tersebut persentase pengurangan Volatile Matter yang terkandung dalam batu bara mendekati 30%. Sehingga dapat disimpulkan bahwa Equivalence Ratio < 1 menyebabkan pengurangan Volatile Matter.

Gambar 9. Distribusi Volatile Matter Variabel A hingga Variabel I kondisi Steady state

Pemodelan unsteady state pengeringan batu bara pada coal dryer dengan menggunakan variabel B laju alir batu bara sebesar 6.51 kg/s dan laju alir udara sebesar 43.75 m/s. Dipilih variabel B untuk dilakukan dimulasi unsteady state dikarenakan didapatkan kondisi optimal pada variabel B dengan pertimbangan terdapat sebagaian kecil zona batu bara dan volatile matter yang terbakar dan nilai temperatur adiabatik maksimum terendah ke dua, Kondisi ekses udara yang memberikan kemerataan pada distribusi fluida serta memiliki persen efisiensi pengurangan moisture content yang tinggi. Simulasi ini menggunakan iterasi sebanyak 2000 dan menghasilkan rentang waktu 220 detik.

(a) (b) (c)

Gambar 10. (a) Distribusi Temperatur Variabel B kondisi unsteady state, (b) Distribusi moisture content Variabel B kondisi unsteady state, (c) Distribusi Volatile Matter Variabel B kondisi unsteady state.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar 10 (a) pada detik 0.5 sebagian batubara yang sudah turun kebawah sudah mengalami penguapan moisture content dan juga volatile matter nya sudah sebagian


terbakar sehingga bisa menghasilkan panas sebesar 489.71 oC Pada gambar 10 (b) dan 10 (c) di zona yang sama menunjukkan adanya pengurangan moisture content dan pembakaran volatile matter yang nantinya akan diikuti pembakaran sebagian batu bara. Sebagian batu bara yang terbakar mengakibatkan suasana di dalam coal dryer panas sehingga udara yang diinjeksikan ikut memanas di dalam coal dryer. Kondisi udara yang panas ini dimanfaatkan untuk pengering batu bara yang tidak terbakar. Karena panas terjadi secara berkelanjutan, mengakibatkan Volatile Matter terbakar hingga tersisa karbon. Detik 1 hingga 10 adanya peningkatan temperatur dan area pembakaran Volatile matter yang diikuti peningkatan fraksi oksigen dan CO2. Detik 20 hingga 220 detik sudah dalam keadaan steadystate dan terjadi fenomena osilasi temperature.

4. KESIMPULAN DAN SARAN Hasil simulasi CFD mampu untuk merepresentasikan fenomena pengeringan batubara didalam

coal dryer yang dapat divalidasi secara teoritis. Pada kondisi ekses udara menunjukkan distribusi fluida yang lebih merata dan kualitas pembakaran semakin baik. Pada kondisi ekses yang berlebih akan menurunkan performa pengurangan moisture content dikarenakan temperatur udara lebih rendah dibandingkan temperature pembakaran yang berakibat pengurangan panas yang dihasilkan dari beberapa batubara dan volatile matter yang telah terbakar. Semakin miskin udara akan menyebabkan distribusi udara kurang merata sehingga tidak mampu melakukan pembakaran dengan baik dan pengurangan moisture content menjadi tidak maksimal. Berdasarkan temperatur serta pola yang dihasilkan dari simulasi dan hasil pilot plant salah satu industri di indonesia menunjukkan rentang yang hampir sama. Saran untuk pengembangan penelitian diperlukan simulasi dengan menggunakan metode Euler-Euler multiphase model serta simulasi Geometri Coal dryer dengan menggunakan 3 Dimensi.

UCAPAN TERIMAKASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada PT. Semen Indonesia yang telah memfasilitasi dan

memberi dukungan dalam pelaksanaan penelitian ini.

DAFTAR PUSTAKA[1] Baaqy, L. Al, Arias, G., Rachimoellah, M., & Nenu, R. K. T. (2013). Pengeringan Low Rank

Coal dengan Menggunakan Metode Pemanasan tanpa Kehadiran Oksigen. Jurnal Teknik Pomits.

[2] Hankalin, U. (2013). Fluidized bed gasification. In Fluidized Bed Technologies for Near-Zero Emission Combustion and Gasification. Woodhead Publishing Limited.

[3] Hantyo, R. (2015). Studi Numerik Karakteristik Pembakaran dengan Variasi Mass Flow Rate Carrier Air dan Coal pada Start Up Burner (Doctoral dissertation, Institut Teknologi Sepuluh Nopember).

[4] Iswara, M. A. I. (2016). Studi Fluidisasi Dan Pembakaran Batubara Polydisperse Di Dalam Fluidized Bed Dengan Pendekatan Numerik Berbasis Simulasi CFD (Doctoral dissertation, Institut Teknologi Sepuluh Nopember).

[5] Miller, B. (2013). Fuel considerations and burner design for ultra-supercritical power plants. In Ultra-Supercritical Coal Power Plants: Materials, Technologies and Optimisation. Woodhead Publishing Limited. https://doi.org/10.1533/9780857097514.1.57

[6] Syarief, A., Setiambodo, Y. B., & Ramadhan, M. N. (2020). Analisa Kebutuhan Udara Pembakaran Mengoptimalkan Proses Pembakaran Boiler Pt . Pln ( Persero ) Sektor Pembangkitan Asam Asam. 21(1), 85–102.

[7] Yuliawati, M., dkk., (2020). Evaluasi Coal Dryer Berbasis Computational Fluid Dynamics,

https://doi.org/10.1533/9780857097514.1.57


Universitas Internasional Semen Indonesia.

jurnal elektro telekomunikasi terapan [bulan] [tahun]. jurnal... · web viewmetode penelitian yang...

Documents